雙控制河段船舶通行指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳關(guān)勝

（長(zhǎng)江瀘州航道局，瀘州646000）

雙控制河段船舶通行指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳關(guān)勝

（長(zhǎng)江瀘州航道局，瀘州646000）

針對(duì)雙控制河段缺乏有效船舶通行指揮方法的現(xiàn)狀，在考慮工程實(shí)際因素的基礎(chǔ)上，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)、通信、計(jì)算機(jī)、人工智能等理論和技術(shù)手段，設(shè)計(jì)了一種基于智能控制算法的雙控制河段船舶通行指揮系統(tǒng)。該系統(tǒng)以船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（automatic identification system，AIS）作為主要信息源，采用改進(jìn)卡爾曼濾波方法實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶位置的實(shí)時(shí)跟蹤預(yù)測(cè)，以船舶到達(dá)和通過(guò)控制河段的行程時(shí)間為依據(jù)，并結(jié)合船舶操縱特性，制定了一套船舶安全通行排序規(guī)則和指揮方法。瀘州永川航段雙控制河段的實(shí)地應(yīng)用結(jié)果表明，文章提出的雙控制河段船舶通行指揮系統(tǒng)可行性較好，能夠降低信號(hào)員工作強(qiáng)度，并能提高控制河段通航服務(wù)水平和通行指揮效率。

控制河段；電子航道圖；航跡預(yù)測(cè)；通行排序；卡爾曼濾波

在長(zhǎng)江上游河段，部分航道仍處于天然河道狀態(tài)，航道彎曲狹窄、灘多水急，航行條件不良，輪船只能單向通過(guò)，需設(shè)置控制信號(hào)臺(tái)指揮船舶通行，從而保障通航安全。隨著長(zhǎng)江數(shù)字航道建設(shè)的推進(jìn)，在部分單控制河段已實(shí)現(xiàn)智能指揮和自動(dòng)揭示，這提高了控制河段信號(hào)臺(tái)通行指揮效率和水平，增強(qiáng)了控制河段的主動(dòng)監(jiān)控能力［1-6］。然而，目前控制河段智能指揮系統(tǒng)只能解決單一控制航段的船舶交通管理問(wèn)題［7-8］。當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上控制河段相距很近且在同水位期時(shí)，則需要聯(lián)合控制這些控制河段，以保證航道總體通航效率最大化、安全最優(yōu)化。由于船舶噸位和船舶通航密度的增大，傳統(tǒng)的人工指揮模式在雙控制河段的通行指揮難度越來(lái)越大，影響了航道通航效率和船舶航行安全。

1系統(tǒng)功能分析

雙控制河段船舶通行指揮系統(tǒng)旨在通過(guò)實(shí)現(xiàn)交通指揮和船舶通行控制的自動(dòng)化來(lái)降低信號(hào)員的勞動(dòng)強(qiáng)度。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有如下功能：

（1）船舶交通流感知。采集控制河段的船舶到達(dá)和通行情況，預(yù)測(cè)船舶到達(dá)、通過(guò)控制河段的時(shí)間。（2）制定船舶最優(yōu)通行順序。采用智能算法，根據(jù)雙控制河段船舶到達(dá)情況和通行約束條件，制定船舶通行規(guī)則。（3）船舶通行信號(hào)揭示。根據(jù)制定的船舶通行規(guī)則，聯(lián)動(dòng)控制各個(gè)信號(hào)控制臺(tái)，準(zhǔn)確揭示信號(hào)旗并將通行信號(hào)推送到電子航道圖。（4）船舶通行狀態(tài)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控。通過(guò)各類(lèi)船舶感知工具，實(shí)時(shí)捕捉船舶運(yùn)行動(dòng)態(tài)，并經(jīng)由傳輸網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)視船舶執(zhí)行通行規(guī)則的情況。（5）統(tǒng)計(jì)分析。自動(dòng)保存通行信號(hào)揭示和船舶通行情況，作為系統(tǒng)運(yùn)行反饋和評(píng)估的依據(jù)。

2系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

雙控制河段船舶通行指揮系統(tǒng)通過(guò)各類(lèi)傳感器感知水域內(nèi)船舶交通流信息，然后通過(guò)智能算法評(píng)估船舶交通運(yùn)行態(tài)勢(shì)，分析最優(yōu)的船舶通行方法，最后將通行指令發(fā)送給船舶端和電子航道圖服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)可分為信息采集層、控制決策層和執(zhí)行層（圖1）。

圖1 雙控制河段船舶通行指揮系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Structure of ship traffic control system in double control waterway

（1）信息采集層。信息采集層通常包括AIS基站、海事雷達(dá)、CCTV監(jiān)控系統(tǒng)，有時(shí)還會(huì)包括無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別系統(tǒng)（RFID）和GPS。信息采集層全面感知控制河段內(nèi)的交通環(huán)境和船舶交通狀態(tài)，并將狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

（2）控制決策層?？刂茮Q策層根據(jù)信息采集層獲取的航道環(huán)境和船舶交通數(shù)據(jù)，采用優(yōu)化的人工智能控制算法，自動(dòng)計(jì)算最優(yōu)船舶交通控制方案，并提供人機(jī)交互接口，便于及時(shí)對(duì)控制方案進(jìn)行監(jiān)視與調(diào)控?？刂茮Q策層主要包括控制決策服務(wù)器、電子航道圖3.0和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和歷史記錄數(shù)據(jù)服務(wù)器。

（3）執(zhí)行層。執(zhí)行層將控制河段信號(hào)指揮系統(tǒng)的控制決策真正應(yīng)用于真實(shí)船舶管理環(huán)境，具體是通過(guò)電子航道圖3.0、信號(hào)旗控制裝置和VHF通訊系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，信號(hào)旗控制系統(tǒng)是控制河段信號(hào)指揮系統(tǒng)的最終輸出，即通過(guò)信號(hào)旗揭示通行方案。VHF通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了船方和控制人員之間的語(yǔ)音通信，信號(hào)員可以通過(guò)VHF將船舶應(yīng)該執(zhí)行的動(dòng)作傳達(dá)給船方，或者咨詢(xún)船方的行為動(dòng)態(tài)。

3雙控制河段通行指揮策略

雙控制河段由穩(wěn)船區(qū)、第一控制河段、過(guò)渡區(qū)、第二控制河段、調(diào)頭區(qū)5個(gè)區(qū)域組成。調(diào)頭區(qū)可供下行船舶掉頭，穩(wěn)船區(qū)和過(guò)渡區(qū)允許上行船舶穩(wěn)船，其中過(guò)渡區(qū)的穩(wěn)船數(shù)量需限定在一定范圍，第一、二控制河段區(qū)域同一時(shí)間只允許船舶單向通過(guò)控制河段。

由于下行船舶的航速快，不易掉頭，所以當(dāng)同時(shí)有上下行船舶到達(dá)控制河段指揮斷面時(shí)，上行船舶應(yīng)當(dāng)讓下行船舶先通行，盡量避免下行船舶掉頭。雙控制河段通行指揮原則主要包括以下4點(diǎn)：

（1）下行船舶還沒(méi)有到達(dá)調(diào)頭區(qū)，此時(shí)上行船舶已經(jīng)到達(dá)第二控制河段或者已經(jīng)在過(guò)渡區(qū)等待，應(yīng)當(dāng)讓上行船舶先通過(guò)第二控制河段。

（2）下行船舶到達(dá)調(diào)頭區(qū)時(shí)，上行船舶也到達(dá)第二控制河段，應(yīng)當(dāng)讓下行船舶先通行，讓上行船舶在第二控制河段外等待。如果下行船舶還沒(méi)有到達(dá)調(diào)頭區(qū)，而上行船舶已經(jīng)到達(dá)穩(wěn)船區(qū)，應(yīng)當(dāng)讓上行船舶先通過(guò)第一控制河段。

（3）下行船舶到達(dá)調(diào)頭區(qū)時(shí)，上行船舶也到達(dá)穩(wěn)船區(qū)，應(yīng)當(dāng)讓下行船舶先通行，讓上行船舶在第一控制河段外等待。

（4）當(dāng)控制河段有上行船舶通行時(shí)，同時(shí)下行船舶到達(dá)了調(diào)頭區(qū)，對(duì)于還沒(méi)有進(jìn)入第二控制河段或者第一控制河段的上行船舶應(yīng)該在第二控制河段或第一控制河段外等待，當(dāng)已指揮的上行船舶通過(guò)后，讓下行船舶先通行。

明確雙控制河段船舶通行基本規(guī)則之后，則可以依據(jù)船舶AIS信息預(yù)測(cè)上下水船舶到達(dá)相應(yīng)界限標(biāo)的時(shí)間，對(duì)船舶的通行順序進(jìn)行動(dòng)態(tài)排序。圖2給出了雙控制河段船舶通行指揮算法的信息處理流程。當(dāng)收到船舶AIS信息時(shí)，根據(jù)船舶的動(dòng)靜態(tài)信息計(jì)算船舶的航行方向（上行或下行）、到各個(gè)標(biāo)志的距離（到各界限標(biāo)鳴笛標(biāo)距離）、到各個(gè)標(biāo)志的時(shí)間（到各界限標(biāo)鳴笛標(biāo)時(shí)間、通過(guò)控制河段時(shí)間）、船舶的區(qū)域位置（上游、調(diào)頭區(qū)、第二控制河段內(nèi)、過(guò)渡區(qū)、第一控制河段內(nèi)、穩(wěn)船區(qū)、下游），為指揮算法提供數(shù)據(jù)支持。

首先，第一、第二控制河段分別根據(jù)船舶的預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間、預(yù)計(jì)通過(guò)控制河段時(shí)間長(zhǎng)短進(jìn)行排序，時(shí)間越短表示船舶會(huì)先通過(guò)控制河段，應(yīng)該排在前面，這樣就得到兩個(gè)控制河段的初次通行隊(duì)列。其次，系統(tǒng)根據(jù)相鄰控制河段的船舶通行情況對(duì)這兩個(gè)通行順序進(jìn)行協(xié)同及調(diào)整，得到最終的通行隊(duì)列。最后，當(dāng)船舶到達(dá)指揮斷面時(shí)，指揮算法給出預(yù)警信號(hào)讓船舶松車(chē)等待或者給出相應(yīng)的通行信號(hào)指揮船舶通行。

圖2 指揮算法處理流程Fig.2 Processing flow chart of command algorithm

4系統(tǒng)應(yīng)用

長(zhǎng)江瀘州航道局永川航道處所轄長(zhǎng)江航道廟角磧控制河段（斗笠子預(yù)告臺(tái)、控制臺(tái)）和白臉石控制河段（東溪口指揮臺(tái)和朱沱控制臺(tái)）在3 m以下水位時(shí)形成雙控制河段。本研究以此河段為例，開(kāi)展雙控制河段通行指揮系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用研究。

4.1系統(tǒng)組成

廟角磧雙控制河段通行指揮系統(tǒng)主要由主控端、被控端、監(jiān)控端等三部分組成。其中，主控端由控制河段智能通行指揮系統(tǒng)軟件和信號(hào)揭示及控制系統(tǒng)組成，用于船舶通行狀況監(jiān)控、通行指揮和信號(hào)揭示，部署于指揮臺(tái)；被控端由控制河段智能通行指揮系統(tǒng)軟件和信號(hào)揭示及控制系統(tǒng)組成，用于接收主控端所發(fā)布的通行指揮信號(hào)并予以揭示，部署于控制臺(tái)；監(jiān)控端由控制河段智能通行指揮系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)，用于接收主控端所發(fā)布的通行指揮信號(hào)、遠(yuǎn)程查看任意控制河段內(nèi)已安裝AIS設(shè)備船舶的船位以及當(dāng)前信號(hào)臺(tái)的通行信號(hào)。

系統(tǒng)主要包括雙控制河段船舶通行指揮系統(tǒng)、長(zhǎng)江電子航道圖3.0系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心、遠(yuǎn)程控制中心（只保留接口）。其中雙控制河段船舶通行指揮系統(tǒng)分為3個(gè)子系統(tǒng)，即雙控制河段船舶通行指揮子系統(tǒng)（主控端）、雙控制河段船舶通行指揮子系統(tǒng)（被控端1）和雙控制河段船舶通行指揮子系統(tǒng)（被控端2），它們分別安裝在東溪口、斗笠子和朱沱信號(hào)臺(tái)。由于每個(gè)信號(hào)臺(tái)職責(zé)不同，因此每個(gè)系統(tǒng)功能也不同，有必要根據(jù)每個(gè)信號(hào)臺(tái)通行情況自動(dòng)生成和揭示通行信號(hào)。不同信號(hào)臺(tái)具體的功能要求為：東溪口信號(hào)臺(tái)和斗笠子信號(hào)臺(tái)需要同時(shí)揭示下水信號(hào)，分別揭示上水信號(hào)和下水信號(hào)；朱沱信號(hào)臺(tái)與東溪口信號(hào)臺(tái)信號(hào)需時(shí)刻保持一致。3個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的協(xié)同與共享。

東溪口指揮臺(tái)部署雙控制河段船舶通行指揮子系統(tǒng)（主控端），該系統(tǒng)采用C/S開(kāi)發(fā)模式。該信號(hào)臺(tái)主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集，船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控，通行指揮，將相關(guān)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到被控端，信號(hào)揭示，通行日志記錄。

斗笠子控制臺(tái)、預(yù)告臺(tái)部署雙控制河段船舶通行指揮子系統(tǒng)（被控端1），該系統(tǒng)采用C/S開(kāi)發(fā)模式。該信號(hào)臺(tái)主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集與發(fā)送，接收主控端發(fā)布的通行信號(hào)并揭示，船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控，通行日志記錄。

朱沱控制臺(tái)部署雙控制河段船舶通行指揮子系統(tǒng)（被控端2），該系統(tǒng)采用C/S開(kāi)發(fā)模式。該信號(hào)臺(tái)主要用于接收雙控制河段船舶通行指揮系統(tǒng)（主控端）發(fā)布的通行信號(hào)并揭示，船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控，朱沱控制臺(tái)能夠直接使用與斗笠子控制臺(tái)所采用的指揮系統(tǒng)，其與斗笠子控制臺(tái)被控端的區(qū)別在于朱沱控制臺(tái)所揭示的通行指揮信號(hào)與東溪口指揮信號(hào)一致，斗笠子控制臺(tái)所揭示的信號(hào)為斗笠子控制河段的指揮信號(hào)。

4.2應(yīng)用效果

通過(guò)實(shí)地部署應(yīng)用，本文提出的雙控制河段船舶通行指揮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了船舶交通流感知，信號(hào)自動(dòng)生成與揭示，船舶信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，以及通行信息、指揮記錄等信息的自動(dòng)記錄與管理等功能?？刂坪佣沃悄芡ㄐ兄笓]系統(tǒng)（主控端）具有AIS信號(hào)采集、船舶通行信號(hào)指揮和“三種”模式信號(hào)揭示的功能，并將相關(guān)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到被控端和遠(yuǎn)程監(jiān)控端。

控制河段智能通行指揮子系統(tǒng)（被控端）可以接收并顯示主控端發(fā)送過(guò)來(lái)的實(shí)時(shí)信號(hào)，并控制實(shí)體揭示裝置的運(yùn)行。監(jiān)控端可用于監(jiān)視控制河段的通行指揮狀況，并查詢(xún)通行指揮歷史信息。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要功能描述如下：（1）實(shí)現(xiàn)了主控端和被控端信號(hào)的智能同步揭示。利用AIS、控制河段通行指揮規(guī)則及人工指揮經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建了智能控制網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)家系統(tǒng)，并融合了電子航道圖系統(tǒng)、AIS及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等基礎(chǔ)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了主控端和被控端信號(hào)的智能同步揭示的功能。（2）實(shí)現(xiàn)了信號(hào)臺(tái)對(duì)船舶的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”信號(hào)揭示和主動(dòng)指揮能力。系統(tǒng)通過(guò)為長(zhǎng)江電子航道圖提供控制河段通航實(shí)時(shí)信息和船舶通行順序隊(duì)列，使船載電子航道圖導(dǎo)航系統(tǒng)能夠顯示控制河段通行信號(hào)、通行指揮信息和本船通行指令等信息，從而實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的通行信號(hào)推送和指揮，使過(guò)往船舶能更合理地安排其通過(guò)控制河段的計(jì)劃，減少等候時(shí)間。（3）構(gòu)建了控制河段通行動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶(hù)端。遠(yuǎn)程用戶(hù)通過(guò)動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶(hù)端可以訪(fǎng)問(wèn)控制河段智能通行服務(wù)器，能夠?qū)崟r(shí)獲取控制河段船舶的動(dòng)靜態(tài)信息以及東溪口、斗笠子信息臺(tái)信號(hào)揭示的狀況，為實(shí)時(shí)了解和掌握轄區(qū)內(nèi)所有控制河段船舶航行與指揮情況奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

5結(jié)論

本文探討了雙控制河段船舶通行指揮系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)架構(gòu)、通航指揮方法等，并在長(zhǎng)江航道上游瀘州永川段展開(kāi)應(yīng)用。通過(guò)實(shí)際運(yùn)用部署，本文建立的雙控制河段船舶通行指揮系統(tǒng)顯著降低了信號(hào)員的勞動(dòng)負(fù)荷，提高了雙控制河段船舶通行效率。

［1］畢慧博.神背嘴信號(hào)臺(tái)智能輔助指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.重慶：重慶大學(xué)，2012.

［2］李良雄.基于A(yíng)IS的控制河段智能通行指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.水運(yùn)工程，2014（11）：39-43. LI L X.Design and implementation of intelligent command system for controlled waterway based on AIS［J］.Port&Waterway En?gineering，2014（11）：39-43.

［3］畢方全.信號(hào)臺(tái)信號(hào)自動(dòng)揭示與船舶通行智能輔助指揮系統(tǒng)技術(shù)研究［J］.科技傳播，2011（13）：225-226.

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Design and implementation of ship traffic control system in double control waterway

WU Guan?sheng
（Changjiang Luzhou Waterway Bureau,Luzhou 646000,China）

Aiming at the problem of lacking effective access control method in double control waterway,double control waterway technology,database technology,artificial intelligence technology were designed with the consider?ation of practical facts.The system takes AIS as a main information source,and uses the improved Kalman filtering method to realize the real?time tracking and prediction of the ship′s position,on the basis of the time of ship arrival and through the reach,combines the control characteristics of the ship,finally makes the ship′s safe traffic order rules and command method.The application results of Luzhou Yongchuan section double control waterway shows that the proposed system has practical feasibility,reduces the work intensity of the workers,and improves the navi?gation service level and traffic control efficiency.

control reach;inland ECDIS;track prediction;traffic order;Kalman filtering

TP 317

A

1005-8443（2016）04-0422-04

2016-04-11；

2016-06-16

交通運(yùn)輸部信息化技術(shù)研究項(xiàng)目（2013-364-548-200）

吳關(guān)勝（1961-），男，高級(jí)工程師，主要從事航道管理技術(shù)的研究。

Biography：WU Guan?sheng（1961-）,male,senior engineer.